Kolejne przełomowe odkrycie w fizyce kwantowejCzas czytania: 6 min

Fizyka klasyczna i relatywistyczna

Fizyka kwantowa jest – obok astrofizyki i biologii molekularnej – jedną z dyscyplin naukowych, które bardzo intensywnie się rozwijają, szczególnie ostatnimi czasy. W historii fizyki zwraca się uwagę na kilka punktów przełomowych, a pierwszego z takich przełomów dokonał Mikołaj Kopernik, prezentując teorię heliocentryczną, udoskonaloną później przez Galileusza i Keplera¹. Kolejnego przełomu dokonał Isaac Newton, konstruując prawo powszechnego ciążenia.

W bardzo szczegółowy sposób opisał działanie grawitacji, wyprowadzając wzory matematyczne, które pozwoliły m.in. wyjaśnić, dlaczego Księżyc pozostaje cały czas na swojej orbicie. Przyznawał jednak, że nie wie, jak grawitacja rzeczywiście działa, choć jego wzory nawet w dzisiejszych czasach są wykorzystywane do obliczenia trajektorii lotu piłki czy lądowania na Księżycu². Niemal trzysta lat później Albert Einstein, który wziął pod uwagę nie tylko odkrycia Newtona, ale również te z zakresu elektrodynamiki, sformułował swoją szczególną oraz ogólną teorię względności, która miała za zadanie jeszcze lepiej wyjaśniać oddziaływania pomiędzy poszczególnymi obiektami we Wszechświecie.

Einstein dodał do swojego wzoru stałą kosmologiczną, aby wzór opisywał statyczny Wszechświat. Późniejsze odkrycie praw Hubble’a pokazało jednak, że Wszechświat się rozszerza, a sam Einstein nazwał stałą kosmologiczną największą pomyłką swojego życia³. Oczywiście uczony miał na koncie wiele innych znaczących osiągnięć, np. wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego, które było jednym z pierwszych odkryć fizyki kwantowej⁴.

Fizyka kwantowa

Choć na przełomie XIX i XX wieku fizykę uważano za jedną z najbardziej kompletnych nauk ścisłych, to odkrycia z zakresu mechaniki kwantowej niemalże wywróciły ją do góry nogami. Oddziaływania kwantowe znacząco odbiegały od mechaniki klasycznej, ponieważ dla fizyki kwantowej charakterystyczna jest przypadkowość (np. nieoznaczoność czy superpozycja) i względność, natomiast ujęcie klasyczne cechuje się przewidywalnością i stałością. Ponadto mechanika klasyczna nie operowała na cząstkach mniejszych od atomów, a szczególnie nie brała pod uwagę oddziaływań zachodzących na tym poziomie materii. Warto jednak wspomnieć, że mimo istotnych różnic między tymi ujęciami opisującymi naturę Wszechświata polscy fizycy dowiedli matematycznie, że teorie te mają istotne wzajemne powiązania⁵. Pogodzili więc pewne aspekty szczególnej teorii względności z teorią kwantową.

Model standardowy

Na bazie odkryć z zakresu fizyki kwantowej stworzono model standardowy, który do dziś stanowi teorię fizyki cząstek elementarnych⁶. Model ten opisuje grupy cząstek elementarnych (bozony oraz fermiony, które dzielą się na kwarki i leptony) i trzy oddziaływania podstawowe (nie biorą pod uwagę tylko grawitacji), a zależności między elementami tej teorii opisuje relacjami matematycznymi⁷. Jest to więc swoisty zbiór twierdzeń i teorii opisujących Wszechświat i jego elementy składowe. Przez długi czas w modelu standardowym brakowało jednak pewnego rozwinięcia, które umożliwiłoby wyjaśnienie m.in. istnienia masy. W końcu w 2013 roku w wyniku zderzeń cząstek potwierdzono istnienie bozonu Higgsa (nazywanego „boską cząstką”), czyli kolejnego elementu naukowej układanki⁸. Był to następny przełom w fizyce, który zmienił postrzeganie Wszechświata. Może się jednak okazać – a nawet należy się tego spodziewać – że nie był to ostatni punkt zwrotny.

Nowy przełom?

Zespół kilkudziesięciu naukowców z 48 ośrodków akademickich dokonał bardzo ważnego odkrycia, którym podzielił się na łamach „Physical Review Letters” w artykule Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm [Pomiar dodatniej anomalii momentu magnetycznego mionów do 0,46 ppm]. O ile z odkryciami z zakresu fizyki kwantowej spotykamy się dość często⁹, gdyż jest to dyscyplina przeżywająca rozkwit, o tyle wspomniane odkrycie dotyczące mionów może stanowić początek nowego przełomu.

Miony to nietrwałe cząstki elementarne należące do tej samej grupy, co elektrony, czyli leptonów. W omawianym badaniu naukowcy zaobserwowali, że miony poddane działaniu pola magnetycznego zaczęły zachowywać się inaczej niż przewiduje to model standardowy, więc ich zachowanie niejako zaprzecza znanym nam obecnie prawom fizyki. Może się wydawać, że to nic niezwykłego, ponieważ jedynie zaobserwowano, że jakieś cząstki zachowują się nietypowo. W mechanice kwantowej takie drobne różnice okazują się jednak znaczące. Wszelkie dotychczasowe podobne obserwacje prowadziły do odkrycia nowych rodzin cząstek elementarnych lub nowych form energii we Wszechświecie, więc podobnie może być tym razem. Jeśli żadne ze znanych oddziaływań nie wyjaśnia zaobserwowanego nietypowego zachowania mionów, niewykluczone, że wpływa na nie jakaś nieznana nam jeszcze forma energii lub materii, która może również odpowiadać np. za dynamikę rozszerzania się Wszechświata. Interpretacja wyników eksperymentalnych wymaga jednak intensywnej pracy fizyków teoretyków oraz kolejnych eksperymentów¹⁰. Wyniki te jednak kolejny raz pokazują, że nauka cały czas się rozwija i nawet takie złożone i eleganckie wyjaśnienia jak model standardowy mogą się okazać niewystarczające w świetle kolejnych odkryć.

Bartosz Bagrowski

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 18.04.2021

Literatura: